Rappresentazione artistica di un elettrodo a base di nichel come pompa del carburante rotta e di un elettrodo a base di cerio come nuovo, pompa produttiva. Credito:Cube3D
Se l'idea di volare su jet commerciali alimentati a batteria ti rende nervoso, puoi rilassarti un po'. I ricercatori hanno scoperto un punto di partenza pratico per convertire l'anidride carbonica in combustibili liquidi sostenibili, compresi i combustibili per i modi di trasporto più pesanti che possono rivelarsi molto difficili da elettrificare, come gli aeroplani, navi e treni merci.
Riutilizzo a emissioni zero di CO 2 è emerso come un'alternativa all'interramento dei gas serra nel sottosuolo. In un nuovo studio pubblicato oggi in Energia della natura , ricercatori della Stanford University e della Technical University of Denmark (DTU) mostrano come l'elettricità e un catalizzatore abbondante sulla Terra possono convertire la CO 2 in monossido di carbonio (CO) ricco di energia meglio dei metodi convenzionali. Il catalizzatore, l'ossido di cerio, è molto più resistente alla decomposizione. Rimozione dell'ossigeno dalla CO 2 produrre CO gas è il primo passo per trasformare CO 2 in quasi tutti i combustibili liquidi e altri prodotti, come il gas sintetico e la plastica. L'aggiunta di idrogeno alla CO può produrre combustibili come il diesel sintetico e l'equivalente del carburante per aerei. Il team prevede di utilizzare energia rinnovabile per produrre CO e per le successive conversioni, che si tradurrebbe in prodotti a zero emissioni di carbonio.
"Abbiamo dimostrato che possiamo usare l'elettricità per ridurre la CO 2 in CO con selettività al 100% e senza produrre il sottoprodotto indesiderato del carbonio solido, " disse William Chueh, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford, uno dei tre autori senior del documento.
Chueh, consapevole della ricerca di DTU in questo settore, invitato Christopher Graves, professore associato presso il Dipartimento di Conversione e Stoccaggio dell'Energia di DTU, e Theis Skafte, un dottorando DTU al momento, venire a Stanford e lavorare insieme sulla tecnologia.
"Stavamo lavorando sulla CO . ad alta temperatura 2 elettrolisi per anni, ma la collaborazione con Stanford è stata la chiave di questa svolta, " disse Skafte, autore principale dello studio, che ora è ricercatore post-dottorato presso DTU. "Abbiamo ottenuto qualcosa che non avremmo potuto ottenere separatamente:sia la comprensione fondamentale che la dimostrazione pratica di un materiale più robusto".
Ostacoli alla conversione
Un vantaggio che i combustibili liquidi sostenibili potrebbero avere rispetto all'elettrificazione dei trasporti è che potrebbero utilizzare l'infrastruttura esistente di benzina e diesel, come motori, gasdotti e distributori di benzina. Inoltre, le barriere all'elettrificazione di aeroplani e navi - viaggi a lunga distanza e l'elevato peso delle batterie - non sarebbero problemi per le persone ad alta densità di energia, combustibili a emissioni zero.
Da sinistra:Christopher Graves, Michal Bajdich e Michael Machala davanti alla macchina di deposizione laser pulsata che Machala ha usato per fabbricare gli elettrodi. Credito:Mark Golden
Sebbene le piante riducano la CO 2 naturalmente agli zuccheri ricchi di carbonio, una via elettrochimica artificiale per la CO deve ancora essere ampiamente commercializzata. Tra i problemi:i dispositivi consumano troppa elettricità, convertire una bassa percentuale di CO 2 molecole, o produrre carbonio puro che distrugge il dispositivo. I ricercatori nel nuovo studio hanno prima esaminato come diversi dispositivi hanno avuto successo e hanno fallito nella CO 2 elettrolisi.
Con le intuizioni acquisite, i ricercatori hanno costruito due celle per la CO 2 prove di conversione:una con ossido di cerio e l'altra con catalizzatori convenzionali a base di nichel. L'elettrodo di ceria è rimasto stabile, mentre i depositi di carbonio hanno danneggiato l'elettrodo di nichel, riducendo notevolmente la durata del catalizzatore.
"Questa notevole capacità della ceria ha importanti implicazioni per la vita pratica della CO 2 dispositivi dell'elettrolizzatore, " ha detto Graves di DTU, all'epoca un autore senior dello studio e visiting scholar a Stanford. "Sostituire l'attuale elettrodo di nichel con il nostro nuovo elettrodo di ceria nell'elettrolizzatore di nuova generazione migliorerebbe la durata del dispositivo".
Strada verso la commercializzazione
L'eliminazione della morte cellulare precoce potrebbe ridurre significativamente il costo della produzione commerciale di CO. La soppressione dell'accumulo di carbonio consente inoltre al nuovo tipo di dispositivo di convertire più CO 2 a CO, che è limitato a ben al di sotto del 50 percento di concentrazione di prodotto di CO nelle celle di oggi. Questo potrebbe anche ridurre i costi di produzione.
"Il meccanismo di soppressione del carbonio sulla ceria si basa sull'intrappolamento del carbonio in una forma ossidata stabile. Siamo stati in grado di spiegare questo comportamento con modelli computazionali di CO 2 riduzione a temperatura elevata, che è stato poi confermato con la spettroscopia fotoelettronica a raggi X della cellula in funzione, " disse Michal Bajdich, un autore senior dell'articolo e uno scienziato dello staff associato presso il SUNCAT Center for Interface Science &Catalysis, una partnership tra lo SLAC National Accelerator Laboratory e la Stanford's School of Engineering.
L'alto costo della cattura della CO 2 è stato un ostacolo al sequestro sotterraneo su larga scala, e quell'alto costo potrebbe essere un ostacolo all'utilizzo di CO 2 per produrre combustibili e prodotti chimici più sostenibili. Però, il valore di mercato di quei prodotti combinato con i pagamenti per evitare le emissioni di carbonio potrebbe aiutare le tecnologie che utilizzano CO 2 superare più rapidamente l'ostacolo dei costi.
I ricercatori sperano che il loro lavoro iniziale sulla rivelazione dei meccanismi nella CO 2 i dispositivi di elettrolisi mediante spettroscopia e modellazione aiuteranno gli altri a mettere a punto le proprietà superficiali della ceria e di altri ossidi per migliorare ulteriormente la CO 2 elettrolisi.
